Domanda:
Perché c'è scarsità di litio?
Mason Wheeler
2011-06-16 05:14:47 UTC
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Uno dei maggiori ostacoli all'adozione diffusa delle auto elettriche è la carenza di litio per le batterie. Ho letto un articolo qualche tempo fa che dice che semplicemente non c'è abbastanza litio disponibile sull'intero pianeta per produrre abbastanza batterie per sostituire ogni auto a benzina con un'auto elettrica. E questo mi confonde a morte.

La teoria del Big Bang dice che all'inizio c'era un intero gruppo di idrogeno, e poi molto idrogeno ha iniziato ad aggregarsi e formare stelle, e quelle stelle ha prodotto molto elio attraverso la fusione, e poi, dopo l'elio, tutto il resto degli elementi. Ecco perché l'idrogeno è di gran lunga l'elemento più comune nell'universo e l'elio è il secondo più comune.

Ebbene, il litio è il terzo della tavola periodica. Per estrapolazione, dovrebbe esserci una quantità di litio molte volte superiore rispetto, ad esempio, al ferro o all'alluminio, con cui ce n'è decisamente abbastanza per costruire molte auto. Allora perché abbiamo una scarsità di litio?

Potrebbe essere illuminante vedere l'articolo che hai letto e chi lo ha finanziato.forse interessi petroliferi.
Il più difficile da ottenere il litio è il litio-6.Ma sembra che ce ne sia in abbondanza per fabbricare bombe termonucleari
Sette risposte:
#1
+93
David Z
2011-06-16 06:08:38 UTC
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In realtà, quello che hai letto sulla produzione di nuclei non è del tutto corretto. Esistono diversi differenti processi mediante i quali vengono prodotti i nuclei atomici:

  1. Big Bang nucleosintesis è la fusione dei nuclei di idrogeno per formare elementi più pesanti in le prime fasi dell'universo, quando si è raffreddato dal big bang. Ci sono requisiti termici piuttosto specifici affinché questo processo si verifichi, quindi c'era solo una breve finestra di tempo in cui potevano formarsi elementi più pesanti, il che significa che l'unica fusione che si verificava effettivamente in quantità significative era la conversione dell'idrogeno (e del deuterio) in elio, e una quantità estremamente minuscola di litio.
  2. La nucleosintesi stellare è la fusione dell'idrogeno e di altri nuclei nei nuclei delle stelle. Questo è qualcosa di separato dalla cosmologia del big bang, dal momento che le stelle non si sono formate fino a milioni di anni dall'inizio della vita dell'universo.

    Ora, contrariamente a quanto potresti aver letto, non tutti gli elementi sono formati nella nucleosintesi stellare. Ci sono specifiche "catene" di reazioni nucleari che si verificano, e solo gli elementi prodotti da quelle reazioni esisteranno in una stella in quantità apprezzabili. La maggior parte delle stelle produce la propria energia utilizzando la catena protone-protone (nelle stelle più leggere) o il ciclo CNO (nelle stelle più pesanti), che consumano entrambi idrogeno e formano elio. Una volta che la maggior parte dell'idrogeno è stata consumata, la temperatura della stella aumenterà e inizierà a fondere l'elio in carbonio. Quando l'elio si esaurisce, fonderà il carbonio in ossigeno, quindi l'ossigeno in silicio, quindi il silicio in ferro. (Ovviamente il processo effettivo è più complicato - vedere gli articoli di Wikipedia per i dettagli.) Molti altri elementi vengono prodotti o coinvolti lungo il percorso, inclusi neon, magnesio, fosforo e altri, ma il litio non è tra questi. In effetti, le stelle hanno la tendenza a consumare litio, invece di produrlo, quindi le stelle in realtà tendono ad avere solo piccole quantità di litio.

  3. Nucleosintesi della supernova è la fusione di nuclei atomici dovuta alle condizioni di alta pressione e alta energia che si verificano quando una grande stella esplode in una supernova di tipo II. Ci sono alcune somiglianze tra questa e la nucleosintesi del big bang, vale a dire le alte temperature e pressioni, ma la differenza principale è che una stella che esplode avrà "riserve" di elementi pesanti accumulati da una vita di fusione nucleare. Quindi, invece di formare solo molto elio come è avvenuto subito dopo il big bang, una supernova formerà un intero spettro di elementi pesanti. Infatti le supernove sono l'unica fonte naturale di elementi più pesanti del ferro, poiché in realtà richiede un input di energia per produrre quegli elementi come prodotti di fusione. Credo che una certa quantità di litio si formerebbe in una supernova insieme a tutti gli altri elementi, ma poiché una grande stella avrebbe esaurito il suo idrogeno ed elio nella regione centrale dove si svolge la maggior parte dell'azione, il litio probabilmente non è particolarmente prodotto di reazione comune.

Un piccolo spunto da aggiungere a una grande risposta: "molte migliaia di anni" per il tempo di formazione delle prime stelle è vero ma è piuttosto riduttivo! Circa la prima che si possa immaginare la formazione di stelle è di $ 10 ^ 7 $ anni dopo il Big Bang, e $ 10 ^ 8 $ anni è più probabile.
Sarebbe almeno approssimativamente vero dire che il motivo "quadro generale" per cui Li non è comune è solo che i nuclei di Li non sono strettamente legati come gli altri nuclei nel loro intervallo di massa? Tutto quello che dici sui processi specifici è corretto, per quanto ne so, ma ci si potrebbe ancora chiedere * perché *, ad esempio, il litio viene consumato piuttosto che prodotto dalla nucleosintesi stellare. Mi sembra che, senza fare troppa violenza alla verità, si possa dire che la risposta generale è proprio che, quando si formano nuclei di quella dimensione, vengono energeticamente favorite altre cose più strettamente legate. È giusto?
@Ted: buon punto sull'epoca della formazione stellare, ho trascurato di controllare quel numero. Modifico io. Per quanto riguarda il tuo altro commento sul perché il litio non viene prodotto, penso che abbia senso. Ma l'astrofisica / fisica nucleare non è la mia principale area di competenza, quindi se c'è qualcosa di più sottile in corso, probabilmente non lo saprei.
Amplificando su Ted e David. C'è un divario in termini di stabilità contro la copertura rispetto a qualcos'altro tra l'idrogeno N = 2 e il carbonio N = 6. Questi elementi sono molto facili da fondere in altri elementi. Esiste una vasta gamma di nane brune che bruciano deuterio e litio, ma non si surriscaldano mai abbastanza da bruciare idrogeno. Quindi il po 'di litio primordiale che c'era viene reso ancora più spaventoso ogni volta che il gas interstellare viene riciclato attraverso le stelle.
Un'altra cosa che dovrebbe essere sottolineata su questa fantastica risposta è che queste stelle avranno ancora molto idrogeno ed elio presenti nelle ultime fasi, ma non nei loro nuclei.
@OmegaCentauri La maggior parte del litio nella crosta terrestre è stata senza dubbio prodotta nelle stelle.Più specificamente, le stelle AGB.L'abbondanza di litio primordiale del big bang è circa 10 volte inferiore all'abbondanza di Li nei meteoriti e nelle atmosfere delle giovani stelle nelle vicinanze solare.In effetti è anche bruciato nelle stelle, ma il poco materiale impoverito di Li restituito all'ISM difficilmente diluisce ciò che c'è.Considerando che l'arricchimento dai venti AGB è considerevole.
Penso che tu abbia ragione sul fatto che pochissimo litio è prodotto dalla fusione in un'esplosione di supernova, ma sembra plausibile che alcuni potrebbero essere prodotti dal decadimento di specie instabili create dal SN.Non ho idea di quanto potrebbe derivare da questo processo, però.
Ho deciso di renderlo una [domanda] (http://physics.stackexchange.com/questions/197920/do-supernovae-produce-an-appreciable-amount-of-lithium).
Inoltre, l'affermazione "In effetti le supernove sono l'unica fonte naturale di elementi più pesanti del ferro", non è vera.
@RobJeffries ha convenuto che, mentre la vecchia stella collassa, si pensa che l'energia del collasso venga utilizzata per la fusione nucleare che consuma energia.
@TomášZato Non sono sicuro di cosa intendi.Mi riferivo al fatto che circa la metà degli elementi più pesanti del ferro non si formano nelle supernove.Sono formati dalla cattura di neutroni all'interno di stelle AGB di massa intermedia o anche nelle novae classiche.
#2
+42
Scott Carnahan
2011-06-16 09:43:27 UTC
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La parola chiave in quello che hai sentito è "disponibile" perché c'è abbastanza litio nella terra che non è così facile da ottenere. La nozione di "litio disponibile" probabilmente significa riserve di terra note, che secondo questa pagina ammontano a 14 milioni di tonnellate.

La quantità disciolta nell'acqua di mare è stimata in 230 miliardi di tonnellate ( che è sufficiente per molte batterie). L'estrazione dell'acqua di mare non sembra ancora essere economicamente praticabile, ma le persone lo stanno studiando.

La concentrazione stimata di litio nella crosta terrestre varia da 1 a 31 ppm, quindi se scaviamo l'intera crosta, noi ' Otterrò tra 20 e 600 trilioni di tonnellate. In altre parole, se la nostra civiltà fosse mai arrivata a un punto in cui avessimo davvero bisogno di molto litio, non dovremmo andare troppo lontano per trovarlo.

Potrebbe non essere fattibile solo per il litio, ma cosa succederebbe se lo facessimo per ottenere acqua potabile + ogni altra preziosa risorsa che vogliamo?
Quindi ti rimane il tentativo di aggiungere qualche ppm di litio da molto cloruro di sodio. Dal momento che il primo passo sarebbe probabilmente quello di scioglierlo in acqua non hai davvero guadagnato molto!
@Ivo, Non sono un esperto di estrazione di minerali, ma non ho sentito nulla di promettente per il prossimo futuro. Gli impianti di dissalazione vengono costruiti solo in luoghi molto asciutti e smaltiscono la salamoia concentrata che producono.
La desalinizzazione viene eseguita mediante ultrafiltrazione (principalmente) e non si sceglie una salamoia concentrata come "rifiuto". Questo era molto costoso. I prodotti sono acqua dolce e un po 'd'acqua leggermente più salata di quella con cui si è iniziato. Risparmiare sul volume di acqua di mare trattata sarebbe sciocco.
#3
+15
Frédéric Grosshans
2011-06-16 21:55:14 UTC
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Questo è un piccolo complemento alle risposte di David e Scott

Come al solito la pagina di Wikipedia su Lithium contiene informazioni utili:

Entrambi gli isotopi naturali hanno un'energia di legame nucleare per nucleone anomalamente bassa rispetto ai successivi elementi più leggeri e più pesanti, l'elio e il berillio, il che significa che da solo tra gli elementi leggeri stabili, il litio può produrre energia netta attraverso la fissione nucleare. I due nuclei di litio hanno energie di legame per nucleone inferiori rispetto a qualsiasi altro nuclide composto stabile diverso dal deuterio e dall'elio-3. Di conseguenza, sebbene molto leggero in peso atomico, il litio è meno comune nel sistema solare di 25 dei primi 32 elementi chimici.

[...]

⁷Li è uno degli elementi primordiali (o, più propriamente, nuclidi primordiali) prodotti nella nucleosintesi del Big Bang. Una piccola quantità di ⁶Li e ⁷Li è prodotta nelle stelle, ma si pensa che venga bruciata alla stessa velocità con cui vengono prodotti. Piccole quantità aggiuntive di litio di ⁶Li e ⁷Li possono essere generate dal vento solare, raggi cosmici che colpiscono atomi più pesanti e dal primo sistema solare ⁷Be e ¹⁰Be decadimento radioattivo.

Quindi, fondamentalmente, litio è (a malapena) prodotto come vi ha detto David Zaslavsky nella sua risposta, e il motivo per cui la produzione è bassa perché il litio è a malapena stabile.

Ma come dice @Scott Carnahan nella sua risposta, il concetto di scarsità di litio è legato alla sua ripartizione sulla terra. E il motivo per cui è difficile da ottenere è in definitiva la sua elevata reattività chimica, il che significa che è praticamente diluito ovunque e raramente è concentrato in depositi facili da estrarre. Sulla stessa pagina di wikipedia come sopra, dicono:

Sebbene il litio sia ampiamente distribuito sulla Terra, non si trova naturalmente in forma elementare a causa della sua elevata reattività.

[...]

Secondo il Manuale del litio e del calcio naturale, "il litio è un elemento relativamente raro, sebbene si trovi in ​​molte rocce e alcune salamoie, ma sempre in concentrazioni molto basse. Esiste un numero piuttosto elevato sia di minerali di litio che di depositi di salamoia, ma solo relativamente pochi di essi hanno un valore commerciale effettivo o potenziale. Molti sono molto piccoli, altri hanno un grado troppo basso. "

#4
+9
Rob Jeffries
2015-08-06 04:21:34 UTC
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Lo affronterò in modo leggermente diverso. L'abbondanza di Li nel sistema solare e nella crosta terrestre è bassa rispetto ad elementi come carbonio, ossigeno, silicio e ferro.

Il litio del sistema solare è creato in parte (solo il 10%) dalla nucleosintesi primordiale, un po 'da reazioni di spallazione dei raggi cosmici sui nuclei nel mezzo interstellare, ma principalmente all'interno di stelle asintotiche di branca gigante (AGB) di massa relativamente bassa e in nova outburst (ad esempio Prantzos 2012). Il principale meccanismo di reazione è la fusione di elio-4 ed elio-3 per produrre berillio-7. Questo quindi subisce la cattura di elettroni al litio-7.

Anche se c'è abbondanza di elio-4 all'interno delle stelle, non c'è davvero molto elio-3, tranne dove viene prodotto in nuclei / gusci che bruciano idrogeno, ma queste regioni sono anche abbastanza calde da distruggere rapidamente il litio-7 attraverso la cattura del protone nei nuclei di elio-4 . Quindi sono necessarie condizioni speciali in cui il materiale ricco di Be dal nucleo / guscio viene mescolato verso l'alto e subisce la cattura di elettroni in regioni sufficientemente fredde da consentire al Li di sopravvivere ( Cameron & Fowler 1971). Questo può accadere in stelle AGB "che bruciano il fondo caldo" con masse di circa $ 4<M / M _ {\ odot} <8 $, che sono sottoposte a combustione H e He per un po 'di tempo (ad esempio Garcia-Hernandez et al. 2013). L'involucro convettivo arriva fino al guscio che brucia H, trascina materiale ricco di Be, che poi diventa Li-7. Il processo è di efficienza limitata, poiché la stessa convezione richiede di nuovo molto del Li-7 per essere bruciato. Quindi, sebbene le stelle AGB possano soffiare in modo efficiente nello spazio materiale arricchito attraverso i loro enormi venti, il materiale non è quello arricchito con Li.

Il meccanismo di Cameron & Fowler può avvenire anche in caso di novae, esplosioni quando la materia viene trasferita da un compagno sulla superficie di una nana bianca ed esplode. Il materiale accumulato deve contenere elio-3, quindi deve provenire anche da regioni in cui si è verificata una combustione dell'idrogeno incompleta. L'espulsione rapida ed esplosiva di un proiettile ricco di Be si traduce quindi in un arricchimento dell'ISM con Li-7. Si scopre che le condizioni speciali richieste per accumulare materiale con molto He-3 non si traducono in una produzione di Li sufficiente per aumentare le abbondanze di Li del mezzo interstellare oltre quello che vediamo.

Ma penso che la spinta principale di la domanda è: perché il Li non è prodotto solo da una sorta di reazione di fusione, come l'elio o il carbonio?

La risposta è che lo è! Ad esempio, Li-7 viene prodotto come parte del ramo PPII della catena pp, a temperature comprese tra $ 1,4 \ times10 ^ 7 $ K e $ 2,3 \ volte 10 ^ {7} $ K. Ma a queste temperature il Li-7 viene rapidamente fuso con un protone per formare due nuclei He-4.

Quindi il problema di base è che negli interni stellari, Li-7 viene bruciato a temperature superiori a $ 3 \ volte 10 ^ { 6} $ K, ma tutte le reazioni di fusione che producono Li (o elementi più pesanti di Li) richiedono temperature molto più alte di questa.

Vedi, questo è il motivo per cui è valsa la pena togliere la polvere a questo thread.
@EmilioPisanty davvero.Grazie per essere una brava governante.
#5
+6
MSalters
2011-06-16 15:34:38 UTC
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L'errore comune alla base di questa affermazione è che il litio è visto come un carburante che viene consumato e scartato. Dopo tutto, è così che funziona il petrolio. Non c'è abbastanza litio economico per questo. Ma come l'acciaio, il litio verrà riciclato ..

Questa non è tutta la verità. Ci sono usi con perdite di litio e il riciclaggio non è mai del 100.000%.
Non importa. Il riciclaggio del 99.x% è sufficiente. Come ha notato Scott Carnahan, c'è molta acqua di mare. Quindi puoi ricostituire economicamente una piccola perdita nel riciclaggio, l'argomento "non economicamente sostenibile" si applica solo allo 0% di riutilizzo.
#6
+4
Philip Gibbs - inactive
2011-07-29 17:38:56 UTC
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Il litio è più abbondante nella crosta terrestre del piombo. Tuttavia, è più reattivo di tali metalli e meno abbondante di altri metalli reattivi come il sodio. Per questo motivo non tende ad accumularsi in ricchi depositi geologici in una forma che ne facilita l'estrazione. La sua leggerezza può essere un altro fattore.

I metalli reattivi come il litio possono formare sali che si dissolvono in acqua. Questi vengono poi lasciati nei depositi quando le aree chiuse d'acqua si prosciugano. Il litio è 1000 volte meno abbondante nella crosta terrestre rispetto ad altri metalli reattivi come sodio, calcio e potassio, quindi si trova ancora solo in quantità relativamente piccole in tali depositi.

Tuttavia, alcuni composti di litio sono sufficientemente solubile che è presente in alcuni depositi marini prosciugati. Si dice che circa la metà del litio accessibile sulla Terra si trovi sotto il dolce boliviano e se estrarlo in futuro diventerà importante quanto l'estrazione di petrolio ora, allora non è probabile che ci sia una così grande carenza.

La reattività non è un criterio! Sciocchezze! Che dire della reattività del sodio, che si trova in milioni di tonnellate di pezzi come "sale" di elevata purezza?
Ma il sodio è oltre 1000 volte più abbondante nella crosta terrestre del litio. È più realistico confrontarlo con il piombo che ha un'abbondanza simile. Ciò che rende il litio più difficile da estrarre del piombo o è la sua alta reattività
Prossimo problema: i sali di litio non sono "poco solubili". Da dove sono arrivate queste sciocchezze? Il carbonato di litio è un po 'meno solubile rispetto al carboato di sodio, ma abbastanza solubile da trovare quasi tutto il litio una volta liberato dalle rocce primarie nel mare! C'è solo una ragione per la situazione: c'è relativamente poco litio nella crosta terrestre, non abbastanza per fare depositi come salgemma o scorte di sale di potassio.
"" Ma sodio .... "" Giusto! questo è tutto! Allora perché inventare affermazioni sbagliate sulla solubilità e inferire la reattività: Te lo dirò: questa sciocchezza si diffonde nel web.
#7
+3
Chris Willis
2011-06-16 21:50:09 UTC
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Secondo questa storia di NPR, non c'è carenza di litio per le batterie:

"Non conosco nessuna persona seria nel settore automobilistico o nell'industria del litio che credeva che esistesse un serio problema di approvvigionamento a lungo termine ", afferma. "In effetti, per i prossimi 10 anni ci sarà probabilmente un eccesso di offerta di litio perché così tante aziende sono entrate nel mercato".

E a differenza dell'impatto dell'estrazione di altre risorse naturali, concentrare il litio è un processo "rispettoso dell'ambiente", afferma Fletcher. "L'impatto è minimo quanto quello minerario. In realtà stanno solo pompando acqua ... e non ci sono sostanze chimiche tossiche in una batteria agli ioni di litio."

Sembra che venga proiettato in base alla domanda. L'articolo che ho letto (vorrei ricordare dove ora) era più teorico. Fondamentalmente diceva "se volessi sostituire teoricamente ogni auto a benzina con un'auto elettrica, finiresti il ​​litio prima di esaurire le auto da sostituire".


Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 3.0 con cui è distribuito.
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